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Co-authored-by: krahets <krahets@163.com>
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Ikko Eltociear Ashimine
2025-10-17 06:04:43 +09:00
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View File

@@ -0,0 +1,136 @@
/**
* File: array_binary_tree.java
* Created Time: 2023-07-19
* Author: krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_tree;
import utils.*;
import java.util.*;
/* 配列ベースの二分木クラス */
class ArrayBinaryTree {
private List<Integer> tree;
/* コンストラクタ */
public ArrayBinaryTree(List<Integer> arr) {
tree = new ArrayList<>(arr);
}
/* リストの容量 */
public int size() {
return tree.size();
}
/* インデックス i のノードの値を取得 */
public Integer val(int i) {
// インデックスが範囲外の場合、null を返す(空の位置を表す)
if (i < 0 || i >= size())
return null;
return tree.get(i);
}
/* インデックス i のノードの左の子のインデックスを取得 */
public Integer left(int i) {
return 2 * i + 1;
}
/* インデックス i のノードの右の子のインデックスを取得 */
public Integer right(int i) {
return 2 * i + 2;
}
/* インデックス i のノードの親のインデックスを取得 */
public Integer parent(int i) {
return (i - 1) / 2;
}
/* レベル順走査 */
public List<Integer> levelOrder() {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
// 配列を走査
for (int i = 0; i < size(); i++) {
if (val(i) != null)
res.add(val(i));
}
return res;
}
/* 深さ優先走査 */
private void dfs(Integer i, String order, List<Integer> res) {
// 空の位置の場合、戻る
if (val(i) == null)
return;
// 前順走査
if ("pre".equals(order))
res.add(val(i));
dfs(left(i), order, res);
// 中順走査
if ("in".equals(order))
res.add(val(i));
dfs(right(i), order, res);
// 後順走査
if ("post".equals(order))
res.add(val(i));
}
/* 前順走査 */
public List<Integer> preOrder() {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
dfs(0, "pre", res);
return res;
}
/* 中順走査 */
public List<Integer> inOrder() {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
dfs(0, "in", res);
return res;
}
/* 後順走査 */
public List<Integer> postOrder() {
List<Integer> res = new ArrayList<>();
dfs(0, "post", res);
return res;
}
}
public class array_binary_tree {
public static void main(String[] args) {
// 二分木を初期化
// 特定の関数を使用して配列を二分木に変換
List<Integer> arr = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, null, 6, 7, 8, 9, null, null, 12, null, null, 15);
TreeNode root = TreeNode.listToTree(arr);
System.out.println("\n二分木を初期化\n");
System.out.println("二分木の配列表現:");
System.out.println(arr);
System.out.println("二分木の連結リスト表現:");
PrintUtil.printTree(root);
// 配列ベースの二分木クラス
ArrayBinaryTree abt = new ArrayBinaryTree(arr);
// ノードにアクセス
int i = 1;
Integer l = abt.left(i);
Integer r = abt.right(i);
Integer p = abt.parent(i);
System.out.println("\n現在のードのインデックスは " + i + "、値 = " + abt.val(i));
System.out.println("その左の子のインデックスは " + l + "、値 = " + (l == null ? "null" : abt.val(l)));
System.out.println("その右の子のインデックスは " + r + "、値 = " + (r == null ? "null" : abt.val(r)));
System.out.println("その親のインデックスは " + p + "、値 = " + (p == null ? "null" : abt.val(p)));
// 木を走査
List<Integer> res = abt.levelOrder();
System.out.println("\nレベル順走査は:" + res);
res = abt.preOrder();
System.out.println("前順走査は:" + res);
res = abt.inOrder();
System.out.println("中順走査は:" + res);
res = abt.postOrder();
System.out.println("後順走査は:" + res);
}
}

View File

@@ -0,0 +1,220 @@
/**
* File: avl_tree.java
* Created Time: 2022-12-10
* Author: krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_tree;
import utils.*;
/* AVL木 */
class AVLTree {
TreeNode root; // 根ノード
/* ノードの高さを取得 */
public int height(TreeNode node) {
// 空ノードの高さは -1、葉ードの高さは 0
return node == null ? -1 : node.height;
}
/* ノードの高さを更新 */
private void updateHeight(TreeNode node) {
// ノードの高さは最も高い部分木の高さ + 1
node.height = Math.max(height(node.left), height(node.right)) + 1;
}
/* 平衡因子を取得 */
public int balanceFactor(TreeNode node) {
// 空ノードの平衡因子は 0
if (node == null)
return 0;
// ノードの平衡因子 = 左部分木の高さ - 右部分木の高さ
return height(node.left) - height(node.right);
}
/* 右回転操作 */
private TreeNode rightRotate(TreeNode node) {
TreeNode child = node.left;
TreeNode grandChild = child.right;
// child を軸として node を右に回転
child.right = node;
node.left = grandChild;
// ノードの高さを更新
updateHeight(node);
updateHeight(child);
// 回転後の部分木の根を返す
return child;
}
/* 左回転操作 */
private TreeNode leftRotate(TreeNode node) {
TreeNode child = node.right;
TreeNode grandChild = child.left;
// child を軸として node を左に回転
child.left = node;
node.right = grandChild;
// ノードの高さを更新
updateHeight(node);
updateHeight(child);
// 回転後の部分木の根を返す
return child;
}
/* 回転操作を実行して部分木の平衡を回復 */
private TreeNode rotate(TreeNode node) {
// node の平衡因子を取得
int balanceFactor = balanceFactor(node);
// 左傾斜の木
if (balanceFactor > 1) {
if (balanceFactor(node.left) >= 0) {
// 右回転
return rightRotate(node);
} else {
// 先に左回転、その後右回転
node.left = leftRotate(node.left);
return rightRotate(node);
}
}
// 右傾斜の木
if (balanceFactor < -1) {
if (balanceFactor(node.right) <= 0) {
// 左回転
return leftRotate(node);
} else {
// 先に右回転、その後左回転
node.right = rightRotate(node.right);
return leftRotate(node);
}
}
// 平衡木、回転は不要、戻る
return node;
}
/* ノードを挿入 */
public void insert(int val) {
root = insertHelper(root, val);
}
/* 再帰的にノードを挿入(補助メソッド) */
private TreeNode insertHelper(TreeNode node, int val) {
if (node == null)
return new TreeNode(val);
/* 1. 挿入位置を見つけてノードを挿入 */
if (val < node.val)
node.left = insertHelper(node.left, val);
else if (val > node.val)
node.right = insertHelper(node.right, val);
else
return node; // 重複ノードは挿入しない、戻る
updateHeight(node); // ノードの高さを更新
/* 2. 回転操作を実行して部分木の平衡を回復 */
node = rotate(node);
// 部分木の根ノードを返す
return node;
}
/* ノードを削除 */
public void remove(int val) {
root = removeHelper(root, val);
}
/* 再帰的にノードを削除(補助メソッド) */
private TreeNode removeHelper(TreeNode node, int val) {
if (node == null)
return null;
/* 1. ノードを見つけて削除 */
if (val < node.val)
node.left = removeHelper(node.left, val);
else if (val > node.val)
node.right = removeHelper(node.right, val);
else {
if (node.left == null || node.right == null) {
TreeNode child = node.left != null ? node.left : node.right;
// 子ノード数 = 0、ードを削除して戻る
if (child == null)
return null;
// 子ノード数 = 1、ードを削除
else
node = child;
} else {
// 子ノード数 = 2、中順走査の次のードを削除し、現在のードをそれで置き換える
TreeNode temp = node.right;
while (temp.left != null) {
temp = temp.left;
}
node.right = removeHelper(node.right, temp.val);
node.val = temp.val;
}
}
updateHeight(node); // ノードの高さを更新
/* 2. 回転操作を実行して部分木の平衡を回復 */
node = rotate(node);
// 部分木の根ノードを返す
return node;
}
/* ノードを検索 */
public TreeNode search(int val) {
TreeNode cur = root;
// ループで検索、葉ノードを通過後に終了
while (cur != null) {
// 対象ノードは cur の右部分木にある
if (cur.val < val)
cur = cur.right;
// 対象ノードは cur の左部分木にある
else if (cur.val > val)
cur = cur.left;
// 対象ノードを見つけた、ループを終了
else
break;
}
// 対象ノードを返す
return cur;
}
}
public class avl_tree {
static void testInsert(AVLTree tree, int val) {
tree.insert(val);
System.out.println("\nード " + val + " を挿入後、AVL木は ");
PrintUtil.printTree(tree.root);
}
static void testRemove(AVLTree tree, int val) {
tree.remove(val);
System.out.println("\nード " + val + " を削除後、AVL木は ");
PrintUtil.printTree(tree.root);
}
public static void main(String[] args) {
/* 空のAVL木を初期化 */
AVLTree avlTree = new AVLTree();
/* ノードを挿入 */
// ード挿入後にAVL木がどのように平衡を保つかを確認
testInsert(avlTree, 1);
testInsert(avlTree, 2);
testInsert(avlTree, 3);
testInsert(avlTree, 4);
testInsert(avlTree, 5);
testInsert(avlTree, 8);
testInsert(avlTree, 7);
testInsert(avlTree, 9);
testInsert(avlTree, 10);
testInsert(avlTree, 6);
/* 重複ノードを挿入 */
testInsert(avlTree, 7);
/* ノードを削除 */
// ード削除後にAVL木がどのように平衡を保つかを確認
testRemove(avlTree, 8); // 次数 0 のノードを削除
testRemove(avlTree, 5); // 次数 1 のノードを削除
testRemove(avlTree, 4); // 次数 2 のノードを削除
/* ノードを検索 */
TreeNode node = avlTree.search(7);
System.out.println("\n見つかったードオブジェクトは " + node + "、ノードの値 = " + node.val);
}
}

View File

@@ -0,0 +1,158 @@
/**
* File: binary_search_tree.java
* Created Time: 2022-11-25
* Author: krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_tree;
import utils.*;
/* 二分探索木 */
class BinarySearchTree {
private TreeNode root;
/* コンストラクタ */
public BinarySearchTree() {
// 空の木を初期化
root = null;
}
/* 二分木の根ノードを取得 */
public TreeNode getRoot() {
return root;
}
/* ノードを検索 */
public TreeNode search(int num) {
TreeNode cur = root;
// ループで検索、葉ノードを通過後に終了
while (cur != null) {
// 対象ノードは cur の右部分木にある
if (cur.val < num)
cur = cur.right;
// 対象ノードは cur の左部分木にある
else if (cur.val > num)
cur = cur.left;
// 対象ノードを見つけた、ループを終了
else
break;
}
// 対象ノードを返す
return cur;
}
/* ノードを挿入 */
public void insert(int num) {
// 木が空の場合、根ノードを初期化
if (root == null) {
root = new TreeNode(num);
return;
}
TreeNode cur = root, pre = null;
// ループで検索、葉ノードを通過後に終了
while (cur != null) {
// 重複ノードを見つけた場合、戻る
if (cur.val == num)
return;
pre = cur;
// 挿入位置は cur の右部分木にある
if (cur.val < num)
cur = cur.right;
// 挿入位置は cur の左部分木にある
else
cur = cur.left;
}
// ノードを挿入
TreeNode node = new TreeNode(num);
if (pre.val < num)
pre.right = node;
else
pre.left = node;
}
/* ノードを削除 */
public void remove(int num) {
// 木が空の場合、戻る
if (root == null)
return;
TreeNode cur = root, pre = null;
// ループで検索、葉ノードを通過後に終了
while (cur != null) {
// 削除するノードを見つけた、ループを終了
if (cur.val == num)
break;
pre = cur;
// 削除するノードは cur の右部分木にある
if (cur.val < num)
cur = cur.right;
// 削除するノードは cur の左部分木にある
else
cur = cur.left;
}
// 削除するノードがない場合、戻る
if (cur == null)
return;
// 子ノード数 = 0 または 1
if (cur.left == null || cur.right == null) {
// 子ノード数 = 0/1 の場合、child = null/その子ノード
TreeNode child = cur.left != null ? cur.left : cur.right;
// ノード cur を削除
if (cur != root) {
if (pre.left == cur)
pre.left = child;
else
pre.right = child;
} else {
// 削除されるノードが根の場合、根を再割り当て
root = child;
}
}
// 子ノード数 = 2
else {
// cur の中順走査の次のノードを取得
TreeNode tmp = cur.right;
while (tmp.left != null) {
tmp = tmp.left;
}
// 再帰的にノード tmp を削除
remove(tmp.val);
// cur を tmp で置き換える
cur.val = tmp.val;
}
}
}
public class binary_search_tree {
public static void main(String[] args) {
/* 二分探索木を初期化 */
BinarySearchTree bst = new BinarySearchTree();
// 異なる挿入順序は様々な木構造を生成できることに注意。この特定の順序は完全二分木を作成する
int[] nums = { 8, 4, 12, 2, 6, 10, 14, 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 };
for (int num : nums) {
bst.insert(num);
}
System.out.println("\n初期化された二分木は\n");
PrintUtil.printTree(bst.getRoot());
/* ノードを検索 */
TreeNode node = bst.search(7);
System.out.println("\n見つかったードオブジェクトは " + node + "、ノードの値 = " + node.val);
/* ノードを挿入 */
bst.insert(16);
System.out.println("\nード 16 を挿入後、二分木は\n");
PrintUtil.printTree(bst.getRoot());
/* ノードを削除 */
bst.remove(1);
System.out.println("\nード 1 を削除後、二分木は\n");
PrintUtil.printTree(bst.getRoot());
bst.remove(2);
System.out.println("\nード 2 を削除後、二分木は\n");
PrintUtil.printTree(bst.getRoot());
bst.remove(4);
System.out.println("\nード 4 を削除後、二分木は\n");
PrintUtil.printTree(bst.getRoot());
}
}

View File

@@ -0,0 +1,40 @@
/**
* File: binary_tree.java
* Created Time: 2022-11-25
* Author: krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_tree;
import utils.*;
public class binary_tree {
public static void main(String[] args) {
/* 二分木を初期化 */
// ノードを初期化
TreeNode n1 = new TreeNode(1);
TreeNode n2 = new TreeNode(2);
TreeNode n3 = new TreeNode(3);
TreeNode n4 = new TreeNode(4);
TreeNode n5 = new TreeNode(5);
// ノードの参照(ポインタ)を構築
n1.left = n2;
n1.right = n3;
n2.left = n4;
n2.right = n5;
System.out.println("\n二分木を初期化\n");
PrintUtil.printTree(n1);
/* ノードの挿入と削除 */
TreeNode P = new TreeNode(0);
// ノード P を n1 -> n2 の間に挿入
n1.left = P;
P.left = n2;
System.out.println("\nード P を挿入後\n");
PrintUtil.printTree(n1);
// ノード P を削除
n1.left = n2;
System.out.println("\nード P を削除後\n");
PrintUtil.printTree(n1);
}
}

View File

@@ -0,0 +1,42 @@
/**
* File: binary_tree_bfs.java
* Created Time: 2022-11-25
* Author: krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_tree;
import utils.*;
import java.util.*;
public class binary_tree_bfs {
/* レベル順走査 */
static List<Integer> levelOrder(TreeNode root) {
// キューを初期化し、根ノードを追加
Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
queue.add(root);
// 走査順序を格納するリストを初期化
List<Integer> list = new ArrayList<>();
while (!queue.isEmpty()) {
TreeNode node = queue.poll(); // キューのデキュー
list.add(node.val); // ノードの値を保存
if (node.left != null)
queue.offer(node.left); // 左の子ノードをエンキュー
if (node.right != null)
queue.offer(node.right); // 右の子ノードをエンキュー
}
return list;
}
public static void main(String[] args) {
/* 二分木を初期化 */
// 特定の関数を使用して配列を二分木に変換
TreeNode root = TreeNode.listToTree(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7));
System.out.println("\n二分木を初期化\n");
PrintUtil.printTree(root);
/* レベル順走査 */
List<Integer> list = levelOrder(root);
System.out.println("\nレベル順走査でのードの出力順序 = " + list);
}
}

View File

@@ -0,0 +1,68 @@
/**
* File: binary_tree_dfs.java
* Created Time: 2022-11-25
* Author: krahets (krahets@163.com)
*/
package chapter_tree;
import utils.*;
import java.util.*;
public class binary_tree_dfs {
// 走査順序を格納するリストを初期化
static ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
/* 前順走査 */
static void preOrder(TreeNode root) {
if (root == null)
return;
// 訪問優先度: 根ノード -> 左部分木 -> 右部分木
list.add(root.val);
preOrder(root.left);
preOrder(root.right);
}
/* 中順走査 */
static void inOrder(TreeNode root) {
if (root == null)
return;
// 訪問優先度: 左部分木 -> 根ノード -> 右部分木
inOrder(root.left);
list.add(root.val);
inOrder(root.right);
}
/* 後順走査 */
static void postOrder(TreeNode root) {
if (root == null)
return;
// 訪問優先度: 左部分木 -> 右部分木 -> 根ノード
postOrder(root.left);
postOrder(root.right);
list.add(root.val);
}
public static void main(String[] args) {
/* 二分木を初期化 */
// 特定の関数を使用して配列を二分木に変換
TreeNode root = TreeNode.listToTree(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7));
System.out.println("\n二分木を初期化\n");
PrintUtil.printTree(root);
/* 前順走査 */
list.clear();
preOrder(root);
System.out.println("\n前順走査でのードの出力順序 = " + list);
/* 中順走査 */
list.clear();
inOrder(root);
System.out.println("\n中順走査でのードの出力順序 = " + list);
/* 後順走査 */
list.clear();
postOrder(root);
System.out.println("\n後順走査でのードの出力順序 = " + list);
}
}